UC02845 · Implementar circuitos amplificadores com transístores
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Implementar circuitos amplificadores com transístores

BJT em modo activo, polarização, amplificadores EC/CC/BC, áudio
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Índice

Bloco Tema
1 Revisão BJT em modo activo — ponto Q, carga DC/AC, variação de β
2 Polarização — divisor de tensão, cálculo de RB1, RB2, RE, RC
3 Amplificador de emissor comum — ganho Av, Zin, Zout, resposta em frequência
4 Amplificador de coletor comum — seguidor de emissor, buffer
5 Amplificador de base comum — ganho alto, baixa Zin, RF
6 Aplicações — pré-amp de microfone, classe A 1W, distorção
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Bloco 1 · BJT em modo activo

Ponto Q, retas de carga DC e AC

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O ponto de operação Q

O ponto Q (quiescent point) define o estado de repouso do BJT (sem sinal AC):

  • ICQ: corrente de coletor em repouso
  • VCEQ: tensão coletor-emissor em repouso
  • IBQ: corrente de base em repouso

Para amplificação linear, Q deve situar-se no centro da reta de carga AC — equidistante da saturação e do corte — para maximizar a excursão de sinal sem clipping.

IC
|    Saturação
|  /
Q·  ← ponto Q ideal: centro da reta
|  \
|   Corte
+----------> VCE
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Reta de carga DC

A reta de carga DC une os dois pontos extremos de operação:

Ponto de saturação (VCE = 0):

Ponto de corte (IC = 0):

A reta passa pelos dois pontos. Para Q ideal:

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Reta de carga AC e variação de β

A reta de carga AC tem inclinação diferente porque condensadores de bypass (CE) e de acoplamento (CC) curto-circuitam RE e a fonte em AC:

çã

Problema com variação de β:

  • Dois transistores BC547 podem ter β = 100 ou β = 400
  • Com polarização de base fixa: ICQ = β × IB → varia enormemente
  • Solução: polarização com divisor de tensão + resistência de emissor RE → estabiliza Q independentemente de β
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Bloco 2 · Polarização

Divisor de tensão — cálculo de RB1, RB2, RE, RC

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Divisor de tensão (Voltage Divider Bias)

A configuração mais estável para o ponto Q:

    +VCC
     |
    [RB1]
     |
     +──── Base
     |
    [RB2]
     |
    GND

Tensão na base (divisor):

VE e IE:

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Procedimento de cálculo

Dado: VCC, ICQ desejado, β(típico)

Passo 1 — Escolher VE ≈ 10% de VCC (estabilização):

Passo 2 — VCE no ponto Q ≈ VCC/2:

Passo 3 — Tensão de base:

Passo 4 — Divisor de tensão (corrente do divisor ≈ 10 × IBQ):

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Exemplo numérico

Dados: VCC = 12 V, ICQ = 1 mA, β = 150

  1. VE = 1,2 V → RE = 1,2/0,001 = 1,2 kΩ → escolher 1 kΩ
  2. VCE = VCC/2 = 6 V; VC = 6 + 1,2 = 7,2 V; RC = (12–7,2)/0,001 = 4,8 kΩ4,7 kΩ
  3. VB = 1,2 + 0,7 = 1,9 V
  4. IBQ = 1mA/150 = 6,7 µA; Idiv = 10×6,7 = 67 µA
  5. RB2 = 1,9/67µA = 28,4 kΩ27 kΩ; RB1 = (12–1,9)/67µA = 150,7 kΩ150 kΩ
Verificar: VB(real) = 12×27/(27+150) = 12×0,153 = 1,83 V ≈ 1,9 V ✓
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Bloco 3 · Emissor Comum

Ganho Av, impedância, resposta em frequência

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Amplificador de Emissor Comum (EC)

Configuração mais usada para amplificação de tensão:

      +VCC
       |
      [RC]
       |
Vin──[CC1]──B
            C──[CC2]── Vout
            E
           [RE]──[CE]
            |
           GND
  • CC1, CC2: condensadores de acoplamento (bloqueiam DC)
  • CE: condensador de bypass (curto-circuito em AC para RE)
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Ganho e impedâncias do EC

Resistência de emissor intrínseca (re):

Ganho de tensão (com CE em curto-circuito em AC):

ã

Sem CE (RE visível em AC):

Impedância de entrada:

Impedância de saída:

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Resposta em frequência do EC

O amplificador EC comporta-se como passa-banda:

Frequências de corte inferiores (–3 dB) — determinadas por CC1, CC2, CE:

Frequência de corte superior — transistor tem capacidades parasitas (Cbe, Cbc):

A banda de passagem: fL < f < fH — o ganho é plano e máximo.

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Bloco 4 · Coletor Comum

Seguidor de emissor — buffer, alta Zin, baixa Zout

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Amplificador de Coletor Comum (CC)

Também chamado seguidor de emissor (emitter follower):

      +VCC
       |
       B──[CC1]── Vin
       C
       E──[CC2]── Vout
      [RE]
       |
      GND

Características:

  • Ganho de tensão: Av ≈ 1 (ligeiramente inferior — sem inversão de fase)
  • Impedância de entrada: alta → Zin = RB || [β(re + RE)]
  • Impedância de saída: baixa → Zout = RE || [(Rs/β) + re]
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Por que usar o seguidor de emissor?

Buffer: adapta impedâncias sem alterar o sinal

Parâmetro Emissor Comum Coletor Comum
Ganho Av –RC/re (alto, com inversão) ≈ 1 (sem inversão)
Zin Média (kΩ) Alta (decenas kΩ)
Zout Alta (≈ RC, kΩ) Baixa (decenas Ω)
Inversão de fase Sim (180°) Não

Aplicações:

  • Separar um circuito de alta impedância de uma carga de baixa impedância
  • Buffer entre pré-amplificador e amplificador de potência
  • Driver de linha (saída de áudio para cabo longo)
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Bloco 5 · Base Comum

Ganho alto, baixa Zin, aplicações RF

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Amplificador de Base Comum (BC)

      +VCC
       |
      [RC]
       |
Vin──[CC1]──E   C──[CC2]── Vout
            B
           [RB] (ligado a tensão de polarização ou GND em AC)
            |
           GND

Características:

Parâmetro Base Comum
Ganho Av RC/(re) — alto, sem inversão de fase
Zin Muito baixa (≈ re, dezenas de Ω)
Zout Alta (≈ RC, kΩ)
Ganho de corrente < 1 (Ai = α ≈ 0,99)

Aplicações: amplificadores de RF (rádio frequência), VCO, mixers — onde a baixa impedância de entrada é vantajosa para adaptação de impedância a 50 Ω.

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Tabela comparativa das 3 configurações

Parâmetro Emissor Comum Coletor Comum Base Comum
Ganho Av Alto (−RC/re) ≈ 1 Alto (+RC/re)
Inversão fase Sim Não Não
Zin Média Alta Muito baixa
Zout Alta Baixa Alta
Ganho de corrente Ai β β+1 α < 1
Ganho de potência Muito alto Médio Alto
Aplicação típica Amplificação geral Buffer/driver RF
A configuração de emissor comum é a mais versátil — a mais usada em electrónica analógica geral.
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Bloco 6 · Aplicações

Pré-amp de microfone, classe A 1W, distorção

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Pré-amplificador de microfone

Microfone dinâmico: saída ≈ 1 mV, impedância ≈ 600 Ω.
Objectivo: ganho de 40 dB (× 100).

Estágio 1 (EC com baixo ruído):

  • ICQ = 0,5 mA (baixa corrente → baixo ruído)
  • re = 26 mV / 0,5 mA = 52 Ω
  • RC = 5,2 kΩ → Av1 = –5200/52 = –100 (40 dB) ✓
  • Polarização: divisor de tensão com VCC = 9V

Condensadores de acoplamento:

  • Para fL < 20 Hz: CC = 1/(2π × 20 × 600) ≈ 13 µF → usar 22 µF

Ruído: usar transistor de baixo ruído (BC549C, 2SC945) ou JFET (J112).

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Amplificador de áudio classe A — 1W

Classe A: o BJT conduz durante todo o ciclo do sinal.

  • Fidelidade máxima, distorção mínima
  • Eficiência máxima: 25–50% (baixa — o transistor está sempre quente)

Ponto Q: VCE = VCC/2, IC = VCC / (2 × RC)

Potência AC máxima na carga:

Com VCC = 12 V, RL = 8 Ω: Pmax = 144/(64) = 2,25 W (teórico)
Na prática ≈ 1 W (eficiência real 40%)

Dissipação no BJT: Pd = VCC × IC – Pout ≈ 3,6 W → dissipador + BD139 (TO-126, 8W)

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Distorção em amplificadores

A distorção harmónica total (THD) mede a qualidade do amplificador:

Causas de distorção:

  1. Clipping: excursão de sinal ultrapassa a reta de carga → limitação dura
  2. Q descentrado: ponto Q afastado do centro → clipping assimétrico
  3. Não-linearidade de re: re = VT/IC varia com o sinal → distorção harmónica
  4. Crossover distortion (Classe B/AB): zona morta na transição positivo/negativo

Reduzir distorção:

  • Centrar o ponto Q
  • Reduzir o ganho (com RE sem bypass) → lineariza mas reduz Av
  • Usar realimentação negativa (feedback) — a mais eficaz
  • Trabalhar com amplitudes de sinal pequenas (< 20% da excursão máxima)
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Resumo UC02845

Polarização estável

  • Divisor de tensão + RE garantem Q independente de β; re = 26 mV / ICQ

As 3 configurações BJT

  • EC: ganho alto (–RC/re), Zin média, inversão de fase → amplificação geral
  • CC: ganho ≈ 1, Zin alta, Zout baixa → buffer / adaptação de impedâncias
  • BC: ganho alto, Zin muito baixa → radiofrequência

Qualidade de sinal

  • Q centrado minimiza distorção; realimentação negativa lineariza o amplificador
  • Resposta em frequência limitada pelos condensadores de acoplamento (fL) e β do transistor (fH)
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NOTAS DO PROFESSOR 📖 O ponto Q define o repouso do amplificador O ponto Q é o estado do transístor sem sinal, e é ele que condiciona toda a amplificação. Colocá-lo no centro da reta de carga AC é o que garante a maior excursão de sinal sem clipping, ou seja, máxima amplitude sem distorção. Convém insistir que um Q mal escolhido limita o amplificador antes sequer de chegar sinal grande. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Relacionar a posição de Q com a margem disponível até saturação e corte • Mostrar graficamente o que acontece a um Q demasiado perto de um extremo • Distinguir o regime DC de repouso da variação AC sobreposta

NOTAS DO PROFESSOR 📖 A reta de carga DC e os seus extremos A reta de carga DC liga os dois cenários limite: saturação total e corte total. O ponto Q vive algures nesta reta, e centrá-lo significa colocar VCEQ a meio de VCC. Trabalhar estes dois pontos extremos primeiro dá ao formando uma base segura antes de introduzir a complicação da reta AC. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Deduzir o ponto de saturação e o de corte a partir do circuito • Mostrar como traçar a reta unindo esses dois pontos • Justificar a escolha de VCEQ igual a metade de VCC para Q ideal

NOTAS DO PROFESSOR 📖 A reta AC e a tirania da variação de β A reta de carga AC tem inclinação diferente da DC porque os condensadores curto-circuitam RE e a carga em alta frequência. O problema central é que o β varia muito entre transístores iguais, tornando a polarização de base fixa impraticável na produção. Esta dificuldade motiva, de forma natural, a solução do divisor de tensão que vem a seguir. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque os condensadores alteram a carga vista em AC • Mostrar com dois BC547 reais como o β pode diferir por um fator quatro • Apresentar o divisor com RE como remédio para a instabilidade de Q

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O divisor de tensão como base estável A polarização por divisor de tensão fixa a tensão de base de forma quase independente do β, o que torna o ponto Q previsível e reproduzível. A resistência de emissor introduz realimentação: se a corrente sobe, VE sobe e tende a contrariar a subida. É este mecanismo de auto-regulação que estabiliza o circuito. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Calcular VB a partir do divisor e mostrar que não depende do β • Explicar a queda de 0,7 V na junção base-emissor • Descrever o efeito estabilizador de RE como realimentação negativa

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Uma receita de cálculo passo a passo Este procedimento dá ao formando um método repetível para dimensionar o amplificador a partir das especificações. A regra de VE em 10% de VCC e da corrente do divisor dez vezes superior à de base são heurísticas de projecto que garantem estabilidade. Seguir os passos pela ordem evita o erro frequente de tentar resolver tudo de uma só vez. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Justificar a escolha de VE em cerca de 10% de VCC para estabilizar • Explicar porque a corrente do divisor deve ser muito maior que IB • Reforçar a importância de seguir os passos pela ordem indicada

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Do cálculo teórico ao valor comercial O exemplo numérico mostra um aspecto prático essencial: os valores calculados raramente existem no comércio, pelo que se arredonda para a série normalizada mais próxima. A verificação final, recalcular VB com os valores reais escolhidos, confirma que o arredondamento não estragou o ponto Q. Este hábito de validar fecha o ciclo de projecto. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar a série E12 e como escolher o valor comercial próximo • Recalcular VB com as resistências reais para confirmar a tolerância • Discutir o impacto das tolerâncias dos componentes no ponto Q final

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O emissor comum, o cavalo de batalha A configuração de emissor comum é a mais usada para amplificar tensão e a que mais aparece em electrónica analógica. É importante perceber o papel distinto de cada condensador: os de acoplamento deixam passar o sinal mas bloqueiam DC, e o de bypass curto-circuita RE só em AC. Sem esta separação não se compreende como o mesmo RE estabiliza em DC e desaparece em AC. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Distinguir condensadores de acoplamento dos de bypass pela função • Explicar como RE estabiliza em DC mas é anulado em AC pelo CE • Situar o EC como a configuração de referência de amplificação geral

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Ganho, fase e impedâncias do EC O ganho do EC é alto e vem acompanhado de inversão de fase de 180 graus, indicada pelo sinal negativo. O re, resistência intrínseca de emissor, é o parâmetro que controla o ganho e depende da corrente de polarização. Mostrar que retirar o CE reduz o ganho mas o lineariza prepara a discussão posterior sobre distorção e realimentação. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar a origem do re igual a 26 mV sobre IC • Interpretar o sinal negativo do ganho como inversão de fase • Comparar o ganho com e sem condensador de bypass

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O amplificador como filtro passa-banda Nenhum amplificador real amplifica todas as frequências por igual: comporta-se como passa-banda. As frequências de corte inferiores nascem dos condensadores, e a superior das capacidades parasitas do próprio transístor. Compreender isto explica por que um amplificador de áudio mal projectado perde graves ou agudos. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Relacionar os condensadores de acoplamento com o corte das baixas frequências • Explicar o limite superior imposto pelas capacidades internas do BJT • Ligar a banda de passagem ao espectro audível de 20 Hz a 20 kHz

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O seguidor de emissor que não amplifica tensão À primeira vista parece estranho um amplificador com ganho de tensão próximo de um. A chave é perceber que o valor está no ganho de corrente e na transformação de impedâncias: entrada alta, saída baixa. A saída segue a entrada sem inversão, daí o nome seguidor de emissor. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque o ganho de tensão é ligeiramente inferior a um • Destacar a alta Zin e a baixa Zout como a verdadeira mais-valia • Esclarecer que não há inversão de fase, ao contrário do EC

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O buffer que adapta impedâncias A grande utilidade do seguidor de emissor é servir de buffer: liga uma fonte de alta impedância a uma carga de baixa impedância sem que o sinal se degrade. A tabela comparativa torna evidente o contraste com o EC e ajuda a fixar quando escolher cada um. É um conceito que reaparece constantemente em áudio e instrumentação. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Dar o exemplo de ligar um pré-amplificador a um andar de potência • Explicar o problema de cargas de baixa impedância sem buffer pelo meio • Usar a tabela para decidir entre EC e CC consoante o objectivo

NOTAS DO PROFESSOR 📖 A base comum no domínio da radiofrequência A base comum é a configuração menos intuitiva, mas tem o seu nicho: alta frequência e adaptação a 50 ohm. Tem ganho de tensão alto sem inversão, mas ganho de corrente inferior a um, o que a diferencia das outras duas. A sua entrada de muito baixa impedância é precisamente o que a torna útil em RF. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque a baixa Zin é vantajosa na adaptação a 50 ohm em RF • Distinguir ganho de corrente alfa quase um do beta das outras configurações • Situar aplicações como mixers e osciladores controlados por tensão

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Visão de conjunto das três configurações Esta tabela é a síntese de todo o módulo e merece ser trabalhada com calma. Saber escolher a configuração certa em função de ganho, impedâncias e fase é a competência prática que distingue quem percebeu a matéria. Vale a pena pedir aos formandos que justifiquem qual usariam em cenários concretos. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Percorrer a tabela coluna a coluna realçando os contrastes • Propor cenários e pedir a configuração adequada a cada um • Reforçar o EC como escolha por defeito na amplificação geral

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Aplicar a teoria num pré-amplificador real O pré-amplificador de microfone junta tudo o que foi visto: ponto Q, ganho calculado e condensadores dimensionados para a banda áudio. A meta de 40 dB traduz-se num ganho de cem, e o cálculo de re mostra como a corrente baixa serve para reduzir ruído. A escolha de transístores de baixo ruído é uma decisão de projecto com impacto audível. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Converter 40 dB em ganho linear e ligar ao RC e re calculados • Explicar o compromisso entre corrente baixa e ruído reduzido • Dimensionar o condensador de acoplamento para passar 20 Hz

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Classe A: fidelidade ao preço de eficiência A classe A oferece a melhor fidelidade porque o transístor conduz durante todo o ciclo, mas paga isso com baixa eficiência e muito calor. O cálculo da dissipação no BJT, superior à potência entregue à carga, justifica a necessidade obrigatória de dissipador. Este contraste entre qualidade e eficiência prepara a comparação futura com as classes B e AB. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque a eficiência da classe A é tão limitada • Mostrar que o transístor dissipa mais potência do que entrega à carga • Justificar a escolha do dissipador a partir da potência dissipada

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Identificar e combater a distorção A distorção é o inimigo da qualidade e tem várias causas que importa saber distinguir: clipping, Q descentrado, não-linearidade de re e crossover. A realimentação negativa é apresentada como a arma mais eficaz, ainda que ao custo de algum ganho. Relacionar cada causa com a sua solução fecha o raciocínio de projecto de um amplificador. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar num osciloscópio o aspecto de um sinal com clipping • Relacionar Q descentrado com clipping assimétrico • Explicar como a realimentação negativa lineariza à custa do ganho